Técnicas de roteamento de PCB de alta velocidade para reduzir a influência de EMI

As novas gerações de tecnologias eletrônicas levam ao aumento da velocidade de ponta dos componentes. A melhoria da velocidade de trabalho do circuito causa requisitos cada vez mais altos no projeto de PCB. A qualidade do design do PCB determina até mesmo o desempenho de trabalho dos componentes e de todo o circuito. Especialmente considerando o custo e a área de PCB e a funcionalidade do circuito abrangente, as fontes de geração de EMI (Interface Eletromagnética) tornam-se cada vez mais amplas com mecanismos complicados.

Mecanismo e soluções de EMI

Os principais elementos da EMI contêm fonte de interferência eletromagnética, rota de transmissão e objeto interferido. Com os elementos que levaram ao advento da EMI especificados, é necessário determinar os elementos de fácil resolução e aqueles que só podem ser resolvidos parcialmente no processo de projeto de PCB para que possam ser levados em consideração no processo de layout, roteamento e aterramento.

• Disposição


Em termos de layout de PCB, as áreas devem ser divididas de acordo com diferentes funcionalidades. Diferentes funcionalidades são distribuídas em diferentes áreas, enquanto atenção especial deve ser dada às unidades sensíveis em áreas funcionais.


Geralmente, os seguintes princípios devem ser seguidos para o layout do PCB:

uma. Em circuitos de alta velocidade, os parâmetros de distribuição dos pinos dos componentes devem ser considerados e a capacidade distribuída dos pinos dos componentes é essencial, especialmente para sinais de clock de alta velocidade. Enquanto isso, a indutância distribuída deve ser levada em consideração, pois possivelmente levará à oscilação dos sinais, o que causa falha na função do circuito. Portanto, no processo de layout, a distribuição deve ser organizada com alta densidade com comprimento de chumbo reduzido para roteamento futuro e a influência da EMI diminuída.

b. Se os componentes analógicos e os componentes eletrônicos permanecerem em um circuito, eles devem ser distribuídos independentemente no processo de layout. Como os sinais de componentes digitais têm compostos complicados com múltiplas ondas harmônicas, grande influência será gerada para os sinais analógicos. Portanto, eles devem ser considerados com muito cuidado.

c. As unidades de relógio são essenciais em circuitos de alta velocidade. O mecanismo de funcionamento da unidade de relógio é, na verdade, equivalente a uma fonte de ruído, o que significa que esta unidade oscilará quando certas condições forem atendidas. Como uma importante fonte de interferência de condutividade e interferência de radiação, a unidade do relógio não deve ser colocada na borda do PCB. Caso contrário, a EMI se tornaria tão séria. É necessário colocar unidades de relógio no centro do PCB, o que pode reduzir bastante a EMI nos circuitos.

• Roteamento


No processo de roteamento de PCB, sob circunstâncias de baixo custo, o plano de terra pode ser ampliado o máximo possível para diminuir a influência da EMI. No entanto, na circunstância em que o custo deve ser estritamente controlado, o número de camadas de PCB e a sequência de pilha devem ser considerados cuidadosamente. Além disso, os tipos de sinal devem ser considerados e o roteamento deve ser realizado independentemente para sinais de alta velocidade e sinais de baixa velocidade. Além disso, outros elementos devem ser considerados, incluindo a fonte de ruído e como fortalecer a inibição de ruído, problemas na correspondência de impedância (sinais de alta velocidade sem correspondência adequada definitivamente levarão à reflexão de sinais e diminuirão a confiabilidade dos circuitos) e lista de rede .


uma. Princípios básicos de roteamento


Os princípios gerais que são seguidos no roteamento incluem:


1). Pontos de quebra devem ser evitados no roteamento, o que significa que o ângulo reto deve ser evitado, conforme mostrado na Figura 1 abaixo.

Como o ângulo reto possivelmente levará à reflexão, o ponto de inflexão deve ser projetado suavemente para evitar esse fenômeno. Simultaneamente, os principais sinais não devem estar além de áreas divididas, ou a EMI será instantaneamente aprimorada. O desvio de sinal mais comum é cruzar diferentes áreas divididas por energia.


2). No processo de layout, os componentes analógicos e os componentes digitais devem ser divididos entre si, o que significa que os roteamentos dos mesmos devem ser divididos. Simultaneamente, a largura dos fios de aterramento e dos fios de energia deve ser aumentada com a regra geral de que a largura dos fios de aterramento é maior que a dos fios de energia que é maior que a dos fios de sinal. Além disso, os princípios 3W devem ser levados em consideração no roteamento de fios de sinal, enquanto para placas multicamadas, o princípio 20H deve ser considerado nas camadas internas. A conclusão do trabalho acima é capaz de evitar 70% de EMI. Em termos de fios sensíveis analógicos, medidas como aterramento podem ser implementadas.


3). Para o roteamento de USB2.0 ou outras linhas diferenciais de alta velocidade, o roteamento de acoplamento deve ser aplicado e a integridade da superfície de referência entre os pares diferenciais deve ser garantida. Como os pares diferenciais geralmente são sinais de alta velocidade, o roteamento não deve ser organizado na borda do PCB.


b. rotações


Loops nunca podem ser evitados no projeto de PCB. Os loops são formados a partir de sinais que fluem para fora e para dentro e cada um dos loops desempenha um papel como uma antena na funcionalidade. Para reduzir a EMI no PCB, tanto o número de loops quanto a capacidade da antena dos loops devem ser reduzidos. Isso significa que a direção do fluxo de cada sinal deve estar ciente no projeto da placa de circuito impresso e a área do loop deve ser diminuída para sinais de alta velocidade.


Em circuitos, as malhas mais utilizadas estão nas malhas de potência contidas por capacitor de desacoplamento, como mostra a Figura 2.

Se o capacitor de desacoplamento for colocado como o diagrama da esquerda na Figura 2, loops de corrente relativamente grandes serão gerados com o fenômeno EMI óbvio. Ao contrário, no diagrama à direita da Figura 2, no qual o capacitor de desacoplamento é colocado próximo ao chip, um loop de desacoplamento extremamente pequeno é gerado com a principal funcionalidade de reduzir a EMI. Os princípios que devem seguir são exibidos para reduzir os loops:

1). Apenas um caminho é garantido entre dois pontos em cada linha de sinal.

2). O plano de aterramento deve ser aplicado sem bloqueio nos loops de sinal garantidos.


c. Fios de aterramento do PCB


1). As diferenças devem ser esclarecidas entre terra digital, terra analógica e terra de blindagem do sistema no sistema de aterramento de PCB. Grânulos magnéticos e capacitor são aplicados para separar a terra digital e a terra analógica e a terra digital e a terra do campo devem ser conectadas diretamente. 2). Se permitido, os fios de aterramento devem ser alargados no PCB. 3). circuitos fechados por fios terra para que a capacidade anti-interferência seja reforçada e a diferença de nível elétrico reduzida entre os sistemas.

• Projeto de filtro


Em PCBs de alta velocidade, o processamento de filtro pode ser implementado em fios de energia e fios de sinal. As medidas comuns incluem a adição de componentes de filtro magnético, filtro EMI e capacitor de desacoplamento.

uma. Seleção do capacitor de desacoplamento


1). Em um circuito, o capacitor de desacoplamento ajuda a tornar a potência suave e fortalece a capacidade anti-interferência. Geralmente, o capacitor cerâmico é escolhido como um capacitor de desacoplamento devido à sua alta estabilidade, alta precisão, pequeno volume e baixo ESR (Equivalent Series Resistance). No projeto do circuito, o valor da resistência é escolhido na faixa de 1μF a 100μF, enquanto a capacidade de suportar a tensão deve ser considerada de acordo com os circuitos.
2). O capacitor de desacoplamento deve ser colocado próximo aos componentes.


b. Seleção de componentes magnéticos


Os componentes magnéticos podem ser classificados em indutores e esferas magnéticas. Geralmente, o indutor é captado no final do terminal de alimentação enquanto as esferas magnéticas entre as linhas de sinal. No processo de seleção de componentes, os parâmetros de saturação devem ser levados em consideração. Quando os componentes magnéticos atingirem a saturação, eles serão queimados. Além disso, os parâmetros de qualidade e DCR dos componentes magnéticos devem ser considerados.


A medida comumente usada entre as linhas de sinal está na aplicação de esferas magnéticas em linhas seriais para fortalecer a capacidade de EMI.

c. Seleção do filtro EMI


A área com séria interferência de modo comum fica no local com entrada de energia e linhas de sinal de saída. Medidas comuns para evitar interferência de modo comum incluem a adição de indutor de modo comum, piezoresistor, circuito LC e filtro EMI específico. Em circuitos de alta velocidade, o problema de EMI deve ser considerado para a transmissão de alta velocidade em interfaces digitais como USB e HDMI.

• Reflexão de sinal


Na transmissão de sinal, espera-se sempre que a energia no terminal de origem seja transmitida ao terminal de carregamento, o que significa que ZL deve ser igual a ZO. Se não forem iguais entre si, parte da energia será refletida.


Se o atraso de transmissão das linhas for relativamente longo, os sinais mais fortes serão refletidos de volta ao terminal de origem. Em seguida, uma quantia relativamente grande deve ser alterada para compensação quando o toque é gerado, o que é mostrado na Figura 5 abaixo.

Quando o toque ocorre aos sinais, a EMI atinge o pico de gravidade. Para evitar tal fenômeno no projeto de PCB, siga os princípios da Tabela 1.

Tempo de borda do sinal (ns)	Comprimento das linhas de sinal (polegadas)
5	8.6
4	6.9
3	5.1
2	3.4
1	1.7

Teste EMI

Após o design do produto, apesar de muitas medidas para evitar EMI, os problemas não serão encontrados até a implementação do teste. Então, algumas modificações podem ser feitas para resolver problemas.


O teste EMI inclui método de teste, dispositivos e posição de teste. Os métodos de teste devem ser realizados com referência a todos os itens. Se os dispositivos não atingirem o padrão, um espectrômetro pode ser aplicado para teste qualitativo. Se for necessário um valor EMI específico de dispositivos, dispositivos profissionais devem ser aplicados. Quanto à posição de teste, é melhor fazer o teste em câmara escura.

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